黄土沟壑地貌下原岩应力场分布特征研究.pdf

第29卷第9期 2020年9月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE Vol. 29,No. 9 Sept 2020 黄土沟壑地貌下原岩应力场分布特征研究 杨秀宇X巨文涛张光磊S王仲伦3 1.中煤华晋集团有限责任公司王家岭煤矿，山西运城043300； 2.中煤能源研究院有限责任公司，陕西西安710054； 3.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室，山西太原030024 摘 要摘 要本文针对地表黄土沟壑对回采工作面矿压显现影响较大的现象，基于王家岭煤矿12309工作面 的工程地质实际，运用实地调研的方法归纳总结了工作面地表黄土沟壑分布形态，运用Get Data软件构建 了工作面黄土沟壑地表三维形态数据库；结合Rh inoc eros以及Midas-GTS等辅助软件，建立了含有黄土 沟壑地貌的12309工作面三维全尺寸等比例的FLAG52数值计算模型；运用数值计算的方法，对黄土沟壑 地貌下原岩应力分布规律进行了分析；提出了黄土沟壑地貌影响系数小结合数值计算结果拟合出了以煤 层埋深；为自变量的非线性表达式；以工作面超前支承压力为预警阈值，将工作面回采时地表黄土沟壑 影响区域划分为“黄土沟壑地貌影响强烈区必黄土沟壑地貌影响明显区2黄土沟壑地貌影响微弱区2并 对12309工作面受地表黄土沟壑影响进行了预警区划，为保障工作面安全高效回采提供了理论基础。 关键词关键词黄土沟壑地貌；数值模拟；影响系数；影响区划 中图分类号中图分类号TD311 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1004-4051202009-0121-06 Study on the distribution characteristics of the in-situ rock stress field undertheloessgulyland YANG Xiuyu1 , JU Wentao1 , ZHANG Guanglei2 , WANG Zh onglun3 1. Wangjialing Coal Mine of Ch ina Coal Huajin Group Co. , Ltd. , Yunc h eng 043300 , Ch ina； 2. Ch ina Coal Energy Researc h Institute Co. , Ltd. , Xian 710054 , Ch ina； 3 KeyLaboratoryofth e MinistryofEduc ationofIn-situ Modified Mining Taiyuan UniversityofTec h nology Taiyuan030024 Ch ina Abstract In view of th e ph enomenon th at th e surfac e loess gullies h ave great influenc e on th e mine pressure appearanc eofth e working fac e based on th e engineering geologic alreality of working fac e 12309in Wangjialing c oal mine,th e distribution pattern of th e surfac e loess gullies in th e working fac e is summarized byth emeth odoffieldinvestigationth eauth orsc onstruc tth eth ree-dimensionalsh apedatabaseofth eloess gulysurfac einth e workingfac eby GetDatasoftware c ombine with Rh inoc eros Midas GTSandoth er auxiliarysoftware establish eth eth ree-dimensionalandful-sc ale FLAC3D numeric alc alc ulation modelof 12309 working fac e with loess guly land use th e numeric al c alc ulation meth od to analyze th e distributionlaw ofth ein-situ roc k stress underth eloess gulyland putforward th eloess guly land sh adow th e response c oeffic ient, c ombined with th e numeric al c alc ulation results , h as fitted out th e non-linear expression with th e c oal seam buried depth h as th e independent variable. With th e advanc e bearingpressureofth eworkingfac easth eearly warningth resh old th einfluenc eareaofth esurfac eloess gully during th e mining of th e working fac e is divided into “th e area with strong influenc e on th e loess gully land“ “th e area with obvious influenc e on th e loess gully land“ “th e area with weak influenc e on th e loess gully land“. Th e early warning division of 12309 working fac e is c arried out under th e 收稿日期收稿日期2020-03-20 责任编辑责任编辑刘硕 引用格式引用格式杨秀宇,巨文涛,张光磊,等黄土沟壑地貌下原岩应力场分布特征研究中国矿业，2020,299121126. doi10. 12075/j. issn. 1004-4051 2020 09 020 122中国矿业 第29卷 influenc e of th e surfac e loess gullies, wh ic h provides a th eoretic al basis for ensuring th e safe and effic ient mining of th e working fac e. Keywords loess ravine geomorph ologic； numeric al simulation； influenc e c oeffic ient； influenc e zoning 随着我国煤炭资源开发重心西移，黄土高原地 区成为我国主要的 资源生产 ，其覆盖范围 又 晋北、晋中、晋东、宁东、陕北、神东、黄陇等 煤炭生产基地，这些基 我国主 产基地 的50，煤炭产量的70口「2 o 壑 , 囚，起伏的 为载 存于 基岩之上，必然 基岩 岩 的 重新分布，进而影响回采工作面矿山压力显现⑷。 YAO等5 理 分析的方法，给出 形为 对称各向异性山脊和山 重 的近 解析解，预测 最低 的大才 度 ，但主要对 直 行了研 究，并未对山体 分 律进行进一步拓 展。由于 为盖层直 存于基岩之上， 「6采用物理相 拟结合理 算的方 法，针对浅埋沙土质下回 面矿压 行了 研究,认为沙土质坡体作为一种 载荷,直接影 老顶破断的不对 ，坡体产状对 面矿压 度 ，但 直 壑 的分 律， 其对回 面矿压 的 o 赵杰等⑺针对串草［旦煤矿 域浅埋煤层 1 损害 ， 拟的方法进行了研究，但文中 FLAC3D 单元 ，单元几何尺 ，在 进行计算中严重 算精度。。我国现有 壑 岩 研究主 中于 埋 层 壑 对 面矿压 的 与煤层 导 的 的沉陷规律，在 壑 对不同 深度 岩层原岩 分 方面研究 「8o 本文基于王家岭煤矿12309工作面黄土沟壑地 貌的 ，为 ，为 研究工作面 壑对 岩层原岩 的 度，划分 面回采时 的黄土沟壑地貌影响范围，运用实地调研的方法对 面 行 ， 三维 形态数据库；结合 Get Data、、Rhinoceros以及 Midas-GTS等软件，建立了含有黄土沟壑地貌的 12309工作面三维全尺 比例的FLAX2数 算模型。。根 算 ，对 壑 岩 分 律进行了分析，并划分 面回采 时 壑 域，为12309工作面安全高 回 理 基 ， ， 出 一种 壑 的 资源安全 的合理研究方法。 。 1 工程概况工程概况 王家岭煤矿主采2煤层，煤层厚度5. 7〜6 . 3 m, 平均厚度6 . 1 m,煤层结构简单，煤层倾角2〜5 j 为近水平煤层。12309 面位于123 ，北侧 为12311工作面采空区，南侧靠近设计12307工作 面，西侧为123盘区边界，井下标高 527〜 564 mo 工作面设计推进长度1 320 m,宽度260 m。地表位 于王家岭煤矿工业广场以北的 壑地段，为“鱼 ”型冲刷 , 形貌主要为1 ““黄 土台黄土山“，最低标高810 m,最大标高975 m, , 最大高差165 m,最大坡度41. 5图1和图2。。 2工作面黄土沟壑 维重工作面黄土沟壑 维重 图1为工作面地表形貌平面图，为精确研究黄 土沟壑 对原岩 的 ，必须对黄土 行三维重构，木 三维形貌。利用Get Data软 ，提取图1中的 面回采范 在 面 方向与倾向方向 0. 5 m为间距 分 取 标识点，构建12309工作面 1 壑 形 三 标 ， ， 利 Surfer 软 理可以反演得到12309 面 三维形态, , 见图3o I J --800850 m--850900 m--900950 m950〜1 000 m 图图1 12039工作面地表形貌平面图工作面地表形貌平面图 Fig. 1 Surface topography plan of 12039 work face 第9期杨秀宇，等黄土沟壑地貌下原岩应力场分布特征研究 123 图图2 12039工作面综合柱状图工作面综合柱状图 Fig. 2 Comprehensive histogram of 12039 work face 图图3 12039工作面地表形貌图工作面地表形貌图 FigC3 Suracetopographyo12039workace 3黄土沟壑地貌下黄土沟壑地貌下FLAC3D数值计算模型构建数值计算模型构建 将地表形貌数据库导入Rhinoceros软件，可将 中的三 标拟合反演为图3中的 12309工作面地表三维形态曲面，并将该曲面导入 Midas-GTS中，结合图2中2 0煤层上覆岩层特性， 进行数值计算 网格划分，建立 壑地 貌的12309 面三维全尺寸等比例的FLAC3D数值 算模型，见图4。模型单元格数1 416 357,节点 966 355,模型宽度320 m,长度1 450 m,高度280〜 430 m。本次模拟在模型的下边界和左边界、右边 界为限 移 ， 方由于模拟高度直 ，不再施加垂直面力， 见图5。 4黄土沟壑 原岩应力分析黄土沟壑 原岩应力分析 在 的矿业 研究与实践中，通常将上覆 岩层对 岩层的载 单 为自重 ，即认 为 岩层 为上覆岩层的叠加，可 1 。 h 1 式中％l为自重应力，MPa； 为上覆岩层平均容 重，kN/m3 h为上覆岩层厚度，m。 图图4 FLAC3D数值计算模型数值计算模型 图图5 FLAC3D数值计算模型边界条件数值计算模型边界条件 Fig. 5 Boundary conditions of FLAC3D numerical calculation model 对比图6 a和图6 b可知，工作面原岩应力与 自重应力分布规律明显不同，自重 于单纯考 直方向的 加，在 于上覆 1沟 壑 厚度 ， 在 岩层 直 岩 。 但由于 面 变 ，在垂直方向上发 的耦合 象，导 岩层在 直 岩 中 ， 合 6 a 与 7 a可知，应力集中区域与 壑 分布形态 较为相近。 7 a可知，在距 深的岩 层 中 ， 岩 在 中 象， 但 岩 124中国矿业 第29卷 a黄土地表下90 m覆石原石应力分布 自重应力/MPa b黄土地表下90 m覆岩自重应力分布 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100 1 200 1 300 1 400 m a黄土地表下30 m覆岩原岩应力分布 b黄土地表下30 m覆岩自重应力分布 图图6 黄土地表下黄土地表下30 m应力分布应力分布 Fig. 6 30 m stress distribution under the surface of loess 图 图 7 黄 表 黄 表 90 m 应 分 布应 分 布 Fig. 7 90 m stress distribution under the surface of loess 中区域与黄土沟壑地貌分布形态的关联性降低。由 此可知，随着岩层赋存深度的增加，对沟壑 导致 的 中 的平衡 ，岩层赋存深度 i 时，该 岩应力的 主 壑 的影响； 岩层赋存深度较深时，该 岩 的 主］ 到岩层赋存深度的 。 为 研究 壑地貌对下伏岩层原岩应力 影响的最大深度与影响程度，有效预测12309 1 面 壑 的区域。提出 壑 系数 “,可用式2表达。 丨 ％ L 2 式中“为黄土沟壑 系数;为岩层原岩应 力，MPa。 选取工作面推进方向上700 m，工作面倾向方 向上160 m的沟底点为研究对象，分别提取该点处 同深度岩层原岩 ，同时计算提取该点 同深度岩层自重 ，见表1。 表表1 12309工作面地表沟底岩层应力值工作面地表沟底岩层应力值 Table 1 Stress value of rock layer at the bottom of surface ditch in 12309 work face 岩层深度/m 岩 / MPa 自重 /MPa 102 9500214 75 202 914047 29 303 000065 00 403 050083 81 503 050103 05 603 130122 61 703 195142 28 803 380162 11 903 540181 97 第9期杨秀宇，等黄土沟壑地貌下原岩应力场分布特征研究 125 表1 岩层深度/m 岩 / MPa自重应力/MPa 1003 67020 1 84 1103 875221 76 1204 04024 1. 68 1304 29026 1 65 1404 43028 1 58 1504 57030 1. 52 1604 83032 1. 51 1705 04034 1. 48 1805 25036 1. 46 1905 45038 1. 43 5工作面地表黄土沟壑影响区域划分工作面地表黄土沟壑影响区域划分 由于工作面超前支承压力对工作面矿压显现起 「⑷，故可 前支承压 为 1沟 壑 对下伏岩层 的阈值。同时，一般将 取高于原岩 的5 为超前支承压力的分界 处（15），则可得式（4）〜（6）。 16 14 12 10 t] 48.96-0-681 R2 0.971 2 2040 60 80 100 120 140 160 岩层距沟底深度如 a Kyh4 __ a _ max ■/ L 5 min L 1 05 L 6 式中l为自重应力，MPa； 为上覆岩层平均容 图8黄土沟壑地表下不同深度岩层原岩应力 与自重应力变化图 Fig. 8 Variation diagram of in-situ rock stress and selfweightstresofdiferentdepthstrataunder the surface of loess gully 由表1可知，12309工作面地表沟底岩层应力 值表可得不同深度的“值，由此利用1stopt5. 0非 线性拟合软件得图8。 合表1与图8,可知）与岩层距黄土沟壑沟 底深度h之间的关系为式（3）。 v 48 . 96 9h_0681 （3） 由图8可知，黄土沟壑地表对下伏岩层中原岩 应力的影响随深度的增加而逐渐减弱，并在深度达 到300 m时，岩层原岩 基 壑 形态的影响。 重，kN/m3 h为上覆岩层厚厚度，m； 为超前支承压 力，MPa；K为 中系数，2〜4,此处取2「16）。 此可认为，当） 于2时，为黄土沟壑地貌影响 剧烈区；当“ 于1 05〜2之间时，为黄土沟壑地 貌影响明显区；当）值小于105时，为黄土沟壑地 微弱区。 入拟合公式可知，当岩层深度距沟底深度小 于109. 5 m时，在此范围内最大垂直应力在自重应 力的2倍以上。因此，距沟底0〜109.5m范围内岩 层显著 壑 的 ，为 壑 1 剧 烈 烈 岩 层 深 度 距 深 度 于 109 5 〜 282 m之间时，在此范围内最大垂直应力呈现随深 度增加而增加的趋势，最 直 为自重 的 1 05〜2.0倍，略小于工作面超前支承压力，在工作 面回采时两种应力相叠加，对工作面回采影响较为 ，因此该范围为 壑 岩层深度距 深度大于282 m时，此范围内岩层 最 直 为自重 的105倍之下且变 ， 此范 岩 基 壑 形 的 。因此，距 深度大于282 m范 岩层 基本不受黄土沟壑地表的 ，为 壑 I影 响微 。对12309 面进行 壑 域 划分，见图9。由图9可知，由于王家岭煤矿12309工 图9 12309工作面地表黄土沟壑影响区域划分 FigC9 Divisionofinf.uenceareaofsurface.oesgu.yin12309workface 126中国矿业 第29卷 作面煤层埋藏深度均大于109. 5 m,可认为12309 工作面无为黄土沟壑地貌影响剧烈区。在工作面推 进方向上30〜781 m范围内为黄土沟壑地貌影响 明显区域。 6结论结论 1 利用Get Data软件，提取了 12309工作面地 表标识点高程，建立了工作面黄土沟壑地貌地表形 貌三维坐标数据库，结合Rhinoceros与Midas-GTS 等辅助建模软件，构建了含有黄土沟壑地貌的 12309工作面三维全尺寸等比例的FLAC3D数值计 算模型。 2 结合数值计算结果，认为黄土沟壑地貌对垂 直方向上的原岩应力影响较大，原岩应力集中于地 表沟谷区域发育范围，但随着下伏岩层深度的增加, 由黄土沟壑地貌所引起的应力集中效应逐渐减弱。 3 提出了黄土沟壑地貌影响系数少，结合数值模 拟结果，拟合得到的关于下伏岩层厚度的表达式。 4 结合回采工作面超前支承压力概念，确定了 q的阈值。当4值大于2时，为黄土沟壑地貌影响 剧烈区；当q值介于1. 05与2之间时，为黄土沟壑 地貌影响明显区；当q值小于1. 05时，为黄土沟壑 地貌影响微弱区。 5 结合12309工作面实际，对工作面黄土沟壑 影响区域进行了划分，为12309工作面安全高效回 采奠定了理论基础。 ■ 参考文献参考文献 1 钱鸣高，许家林，王家臣.再论煤炭的科学开采HJ1煤炭学报， 2018,431 1-13. 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